USB Type-C设计优缺点解析

　　新推出的可正反向插接的USB Type-C连接器向使用者保证可减少插接USB设备时的麻烦——不论插头以何种方式插入，连接都应该有效工作。

　　USB Type-C也对如下技术提供支持：数据速率高达10Gbit/s的USB 3.1规范、高达100W的功率输出、音频多路复用，以及可处理诸如与DisplayPort或MHL等视频信号的切换模式。

　　因此，数以百计的供应商正在推出支持USB Type-C的产品就不足为奇了。事实上，来自从连接线缆到笔记本电脑等许多领域的一百多家供应商参加了于2015年7月举行的第一届USB Type-C互连互通性测试，以对其产品和原型的互操作性进行了测试。

　　尽管目前业界已与USB打了几十年的交道，但实现Type-C连接仍然带来了诸多新的挑战。例如，当以10Gbit/s的数据速率运行时，数据线上的电压摆幅是低于0.5V的。设计者需要在连接接收端的物理层（PHY）里实现均衡器，来获取输入信号，这时，该信号眼图中的“眼睛”基本是闭合的，而需要实施必要的均衡以使信号眼图中的“眼睛”张开，同时，显示信号代表的是逻辑0或者逻辑1。

　　在实现Type-C连接时仍有许多其他挑战，尤其是在USB 3.1规范以10Gbit/s的全数据速率工作时最甚。

　　重新考虑PHY

　　例如，连接器的可正反插接特性需要在实现中对物理层进行重构。当以USB 2.0数据速率运行时，设计者可通过使用一对电阻去短接进入物理层的两条数据通路，从而去明示连接器以何种方式被插接。在较低的USB 2.0数据速率上，物理层拥有足够的性能裕量来处理短接数据通路所引发的反射。

　　对于USB 3.0和3.1数据速率而言，设计者需要实现两条数据通路，以处理更高的速率。通过一个方向上的连接器，系统连接到一条数据通路上，同时在另一个方向上，系统连接到另一条数据通路上。双数据通路是必要的，因为以5Gbit/s和10Gbit/s数据速率传输时，通过短接数据通路来明确方向，将会引发太多的信号反射，从而使数据分解。

　　设计者需要决定如何解决这个问题。一种解决方案是使用两个物理层，每个方向有一个物理层。双物理层解决方案的缺点是会占用20%到25%的额外面积，来实现两条超高速（SuperSpeed）数据通路和两条高速（Hi-Speed）数据通路，而且需要两组锁相环电路（PLL）及两组电源、接地和数据引脚。最终结果是一个系统拥有的高速（High-Speed）数据通路比其实际需求多出一条。

　　一种更高效的实现方法，是使用一个已经针对USB Type-C规范优化过的物理层，其拥有两条超高速（SuperSpeed）数据通路、一条高速（Hi-Speed）数据通路、一组锁相环电路以及一组电源、接地和数据引脚。

　　设计者选择何种实现方法取决于他们的最终应用。成本敏感类市场将选择节省面积和芯片，可通过省去一条额外的Hi-Speed数据通路以及减少高达40%的引脚数量来实现。

　　USB Type-C信令

　　实现USB Type-C的第二项挑战是24引脚连接器所要求的信号复杂性。USB Type-C规范明确了配置通道（CC）信号和功率输出（PD）信号以定义各项参数，例如连接器的方向，任何插入Type-C端口的电线可以承载多大的功率，以及连接器何时是为音视频而处于切换模式。

　　同时支持配置通道信号与功率输出信号要求附加的逻辑：功率输出消息控制器和配置通道逻辑。设计挑战的一部分是处理可能发生在不同电压上的两种信号，这取决于当时工作的信号组合。

　　Type- C规范也摒弃了USB On-The-Go概念，而是以Dual Role Port概念取而代之。USB On-The-Go是一种信令方式，用于表明一个端口是被用作主机还是被用作设备。On-The-Go协议使用ID引脚发出信号来通知端口在工作时担任主机还是设备；但是Type-C并没有这个信号，所以要使用功率输出消息信号来完成这项工作，这使PD信号的实现进一步复杂化。

　　系统性问题

　　Type-C连接器可以使USB用户的生活更加便利，但付出的代价是使设计者的工作变得更加复杂。设计者将不得不决定他们想要的是支持USB 2.0、3.0和/或3.1中的哪一个，怎样处理功率输出，以及是否支持音视频可切换模式。

　　USB Type-C的实现还会有系统方面的影响。例如，倘若SoC打算支持功率输出方面的功能，设计者可以选择使用一种满足所有相关安全条件的外部电源管理芯片。这意味着将分割功率输出和配置通道逻辑，也许在物理层和一块单独的电源管理芯片，或主系统CPU甚至一个专用的外部微控制器之间分割。

　　Synopsys 全面的USB控制器和物理层IP产品组合，已经被3000多项USB设计成功采用，并且已经通过约30亿只已发货的器件加以验证。这就是深入而直接的设计经验，使我们能够开发特别为与Type-C连接器共同使用而优化的USB 3.1 物理层IP，以及为了实现Type-C功能所必需的支持工具和验证环境——这使得设计者的工作更加简便。

　　本文作者：Synopsys USB PHY IP高级产品营销经理   Gervais Fong